2010年岩土工程师：影响钢构用钢量的主要因素（1）

第一节钢结构的一些基本概念
结构是由构件组成的
构件的种类：梁、柱、板、墙体、桁架、网架、悬索
变力性能：拉、压、弯、剪、扭、疲劳、裂缝扩展(断裂)
杆件系统：梁、柱、桁架、网架都属杆件系统
结构计算的内容包括：
其中：强度，稳定和变形在结构设计中常要予以计算。振动是在设计跨度大而轻的楼层和楼梯时考虑，主要是防止因人行走或使用时结构产生令人不适的振动。疲劳计算仅在多次反复荷载下才予以考虑。
1 强度
强度：可指杆件的强度或结构的强度。
一．杆件的强度：杆件抵抗破坏的能力。
荷载引起的外力≤构件的承载力(由材料强度，构件截面的大小和形状确定)
影响因素：
荷载：大小，作用方式(拉、压、弯、剪、扭，静力或动力)
材料：屈服强度、极限强度、弹性模量等
构件截面的大小和形状：截面越大，承载力越大。粗绳比细绳能承受更大的拉力。截面形状的影响则以受弯构件为例，梁就是建筑上应用最广的典型的受弯构件。当一块文具橡皮被弯时，会看到橡皮的一个面伸长了，而另一个面缩短了。梁在受弯时也有同样的表现。将梁看成是由一层层的纤维叠成的。
沿着梁高，从伸长变到缩短，中间必有一个层面即没有伸长也没有缩短，这一层称为中性层。对一般的金属材料，如果截面对称于中心线，则中性层就在截面的中心线上；另一方面，弹性材料(包括钢材)的一个基本特点就是材料的受力与材料的变形成正比，因此梁的伸长表面受到的拉力最大，缩短表面受到的压力最大，而中性层则不受力。因此，沿着梁高，梁的应力大小按三角形变化，
梁的中性层上应力为零，距中性层越远，应力越大。从这样一个事实出发，为了节约材料，从而将截面做成工字形，翼缘厚，腹板薄，截面的主要面积分布在中性层的两侧远方。因此工形截面的抗弯承载能力要比面积相同、宽度相等的矩形面积大得多，所以承受弯曲变形的构件(梁或柱)多数做成工字形截面。
值得指出的是工字形截面有一个弱点
沿Y轴方向，也就是抵抗绕X轴的弯曲(强轴弯曲)，有较大的强度，同时也有较大的抗变形刚度。但是沿X方向，也就是当弯曲绕Y轴发生时(弱轴弯曲)，构件的强度和刚度都很小，只是相当于一个高度为b，宽度为2t的矩形截面构件。
因此当需要构件在两个方向都具有一定的强度和刚度时，人们常使用矩形或方形的箱形截面。当弯曲绕X轴发生时，中性层沿X轴;当弯曲绕Y轴发生时，中性层沿Y轴。截面面积总是有效地分布在中性轴的两侧远方。
二、结构的强度：是结构抵抗破坏的能力。
结构是由杆件组成的，但结构中某根杆件的破坏并不一定意味着结构破坏。结构的破坏与结构的稳定有直接关联，通常说结构失稳了就意味着结构破坏了。这个问题在结构稳定中再予以介绍。
2 刚度
简单结构或构件在荷载作用下的变形，可近似地表示为：
△＝Q/B
式中△为结构或构件的变形，Q为荷载效应，B为结构或构件的刚度
由此可见，刚度愈大，变形愈小，刚度是衡量结构或构件抵抗变形的能力。
杆件的刚度：杆件抵抗变形的能力
轴向刚度：杆件抵抗轴向拉伸和压缩变形的能力
弯曲刚度：杆件抵抗弯曲变形的能力
扭转刚度：杆件抵抗扭转变形的能力
荷载引起的构件变形≤规范容许的构件变形值(通常以不影响结构正常使用为依据)
影响因素：
荷载：大小，作用方式(拉、压、弯、剪、扭)引起杆件相应的变形。
材料：弹性模量、屈服强度、屈服后材料的变形能力等。
杆件的长度、截面大小和形状：一般地说，杆件愈长，刚度愈小，变形愈大。例如，杆件在拉伸荷载作用下的轴向变形与杆件长度成正比，而梁在跨中集中荷载作用下的挠度与梁长的三次幂成正比。截面尺寸愈小，杆件刚度愈小，变形愈大。截面形状对构件的强度有影响，对杆件刚度也有影响，例如，相同长度的圆形截面的抗扭转刚度就与面积相同的正方形截面的抗扭刚度不一样。工字型截面在2个不同方向(强轴方向和弱轴方向)上的抗弯刚度相差很大，例如热轧工字钢I40a绕其强轴弯曲的刚度是绕其弱轴弯曲的刚度的32.9倍。

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